越江隧道盾构法施工的风险评价方法及应用.pdf

第 卷 第 期 年 月 公路工程 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金面上课题 作者简介 张 姣 女 副教授 工学博士 主要从事土动力学 软土地基处理及细观土力学方面的研究 越江隧道盾构法施工的风险评价方法及应用 张 姣 上海城建职业学院 土木工程学院 上海 摘 要 以往的隧道盾构风险评价方法偏重于静态的 定性的 主观的 且缺少对人为风险因素的评价 而 在施工过程中存在众多随机因素 常常使评价结果和实际相差较大 为了弥补动态风险对评价结果的影响 针对越 江隧道盾构法施工的特点 引入熵理论进行风险评价 提高了风险评价结果的精确度 为工程管理人员提供评价工 程风险的方法 提出风险预防措施 然后 将该风险分析方法应用于某越江隧道盾构施工实例中 研究结果表明该 方法的优越性 为相似隧道盾构施工的风险评价和工程管理提供经验和技术上的参考 降低了施工风险度 关键词 越江隧道盾构工程 熵理论 风险评价 预防措施 风险度 中图分类号 文献标识码 文章编号 概述 随着我国地下工程的发展 以及中 西部地区的 发展 隧道盾构工程的应用也越来越广泛 是建造穿 越江河 海侠水下隧道的主要功法之一 但隧道盾 构工程具有隐蔽性 荷载以及荷载与结构的相互作 用的复杂性 施工环境较差和人为不确定性等特点 工程的施工风险很大 尤其是越江隧道 在水下施 工 其发生隧道作业的风险性更高 如 年 月 上海地铁 号线隧道塌陷事故 造成了巨大的经济 损失和负面社会影响 由于隧道盾构工程要考虑工程投资 水文地质 条件 施工技术 机械装备 环境等诸多不确定性因 素 而我国的工程实践时间较短 对隧道盾构工程的 风险评价和风险预防与控制的研究还处于发展阶 段 精确的风险评价方法是目前隧道盾构工程建设 研究的热点之一 熵是一种对未来不确定因素度量的方法 风险 与缺乏充分资料的不确定因素相互联系 因此 熵可 以用于越江隧道盾构工程风险的评价 本文尝试将 第 期张 姣 越江隧道盾构法施工的风险评价方法及应用 熵理论引入到越江隧道盾构工程风险评价中 针对 越江隧道盾构工程施工的每一种工况对应一个系统 区间熵 系统中的不同状态相当于各个风险因素 包括机械 环境 技术 人为 自然因素等 即 不同状态概率值就是各个风险因素发生的可能性 熵理论 是进行隧道盾构工程施工期风险评价的 一种较好的方法 本文将熵理论引入到越江隧道盾 构工程风险评价中 并将该方法应用到上海虹梅南 路隧道工程实例中 说明该方法具有重要的实用价 值和广阔的应用前景 熵理论在越江隧道盾构工程的风险评价 方法 熵理论是熵增原理和熵概念的延伸 拓展 是一 系列系统设计和系统运行的规则和原理 依据熵理 论进行评价时 系统信息的数量和价值 是评价的精 度和可靠性大小的重要因素之一 熵可以用来度量 信息量的多少 并可以度量获取数据所提供的有用 信息量 目前已经涉及很多领域 熵是系统不确定 性的度量 当进行项目评价时 每个风险因素的相对 重要度 各个指标的权重系数 是必须考虑的 然后 根据权重系数的大小 提出具体控制措施 因此 将 熵理论应用于越江隧道盾构施工工程评价是一个有 益的尝试 本文在越江隧道盾构施工工程风险评价时 先 通过历年的相似工程事故统计资料收集和隧道专家 调查 确定各个风险因素的风险概率 并给出评价 矩阵 然后求出各风险因素的相对重要性的熵值 和熵权 基于这个思想 建立如下风险评价体系 风险评价系统风险因素集合及相关参数的 设定 该评价体系对可能影响越江隧道盾构工程的工 程风险进行识别 包括自然因素 环境因素 人为因 素 技术因素等方面 把风险因素按照各工况分成集 合 对每一工况风险因素集合 进行单级熵度量综合评价 即风险概率和风险产生 的影响评价 可以设立不同的评价等级 评价风险概 率和风 险 产 生 的 影 响 所 确 立 的 等 级 集 合 为 风险因素集合 对应的熵权向量为 式中 如果不考虑各位专家的主观评价 可由 作为 各因素权重 当考虑各位专家是通过自身工程经验 对每个 进行主观评价 假定权值为 由主观评 价和客观评价结合得到综合权值为 建立评价矩阵 风险因素的发生概率 在历年事故统计资料或 专业规范齐全时 可以直接由事故统计资料或专业 规范设立的评价指标得到 在缺失历年事故统计资 料或专业规范时 可通过专家调查打分法获得 风险因素 的映射 表示风险因素 对评判集 合各评价结果 令风险 因素 对评判集合 的评价 于是得到评价矩阵 本文中 为风险因素针对概率的评价矩阵 为风险因素针对影响的评价矩阵 熵值 和熵权 的确定 因为风险因素决定风险值 因此对隧道盾构工 程风险评价关键的问题就是求出 的权重系数 根据熵的概念 每个风险因素定量和定性计算 决定它的权重 如果第 个风险因素的第 个评价值 和其它评价值相同时 熵值为 熵权为 反之 如 果当各个风险因素的第 个评价值差别很大 熵值 较小 熵权较大 证明该风险因素对评价结果有价 值 应注重关注 风险因素 的相对重要性可由下列熵来度量 式中 是第 个专家在对 个风险因素的评价值 且 对由专家评判的各因素评价矩阵 越接近相等 熵值越大 风险因素 对系统 风险评价的不确定性越大 反之熵值越小 当 取值相等时 熵最大 为 用 对式 进行归一化处理 得出衡量 的相对 重要性的熵值为 公路工程 卷 式中 熵最大时 此风险因素对工程风险评价价值越 小 所以风险因素 的熵权 由 来度量 进行风险评价分析 进行归一化处理得权值 为 式中 风险度 的确定及风险决策 一般用风险度 来评价隧道盾构工程风险 是风险因素发生的概率 和风险因素所导致后果 影响 包括社会影响 间接和直接的经济损失等 的函数 传统的风险评价法多采用事故树法 概率 统计分布等方法进行风险评价 唯一性和全面性较 差 主观调整性比较强 可进行粗略估算 熵度量法 则根据各个工况风险因素概率 后果影响 隧道专家 对机械设备 环境影响 施工技术 人为因素 自然因 素等评价对象分别进行事件概率和后果的评价 在计算越江隧道盾构工程风险因素发生的概率 时 各风险因素相应的权向量为 对评判集合 各指标赋予相应的权重 得到指 标向量 则风险因素发生的概 率 则风险因素后果的影响为 风险因素发生和其产生后果的似然估计是风险 度 用 表示 式中 为风险因素尚未发生的概率 为风险因 素未发生的后果影响 根据计算出的风险度 进行风险决策 一般 认为 为高风险系统 不可接受 方案被拒 绝 为一般风险系统 为不希望发 生 高层决策 为低风险系统 可接受 进 行一定的风险管理 适当采取风险预防措施 应用实例 工程概况 上海虹梅南路隧道是重大基础设施工程项目 隧道全长 隧道最大埋深 是黄浦江底 最长最深的公路隧道 也是中国最深的城市越江道 路隧道 设计为双洞单层双向 车道公路隧道 设计 时速 隧道长距离 多工况穿越运营高压 有毒 易爆石化管线 风险极高 上海地处富水软土地质 隧道长距离 全断面穿 越 层粉细砂 状态松散 且黄浦江底下的泥土 异常柔软 土质不匀 部分区域的砂性土地段严重液 化 承载能力极低 对注浆法和冻结法施工都造成极 大困难 目前 本工程采用世界上特大的泥水盾构 直径 为 有 层楼高 重 大直径泥水盾 构施工难度史无前例 此泥水盾构在地下顺着几千 米的设计轴线精确到达目的地难度极大 且场区内 工程地质条件差 水头压力高 这些都是较易导致事 故的风险因素 因此对该越江隧道盾构工程进行风 险评价和同步掌控是必要的 风险因素的熵权值及各工况风险度的确定 识别越江隧道盾构工程进出洞工况中的风险因 素 构成风险因素集合 集合中 为风险因素 工作井塌方 为 盾构进出洞产 生的漏水 漏浆 为 盾构进出洞机械设备事 故 为 盾构进出洞轴线偏离过大 风险因素集 合 的评价等级集合 首先对高校 名隧道专业教授及上海申元岩土 工程有限公司 上海城投建设集团 上海城建隧道股 份有限公司的 名具有高级职称的设计 施工人员 进行调研 专家参照预先制定风险评估和接收准 则 每个专家对各个风险因素确定其风险概率 为 中的一种 再结合国内 外已建和在 建的越江隧道盾构的施工质量安全事故调查 对风 险因素集合 进行概率估算 计算每个风险因素属 于各指标的概率 得到评价矩阵 见表 表 评价矩阵 概率 各风险因素的熵权的确定 由式 可得 风 险因 素 的 相 对 重 要 性 的 熵 值 向 量 为 由式 可得各风险 因素的权向量 为 评判集合各指标向量 的确定 确定评判集 第 期张 姣 越江隧道盾构法施工的风险评价方法及应用 合中各标准 的权重依次为 即指标向量 由式 可得风险因素发生的概 率为 由风险影响等级表 得到风险因素集合 的评价等级集合 结合历年相 似工程事故资料统计和专家调查对风险因素进行影 响评定 得到评价矩阵 见表 表 评价矩阵 影响 各风险因素的熵权的确定 由式 可得 风 险因 素 的 相 对 重 要 性 的 熵 值 向 量 为 由式 可得 各风 险因素后果影响的权向量 为 评判集合各指标向量 的确定 确定评判集 合中各标准 的权重依次为 即指标向量 为 由式 可得风险因素后果的影响为 由式 得 识别隧道盾构推进工况中的风险因素 构成风 险因素集合 集合中 为风险 因素 盾构前工作面失稳 为 中轴线偏离 为 管头渗漏 为 管片变形破坏 为 隧道 内涌水 为 盾构推进受阻 构建评价矩阵 由式 可得各风险因素的权向量 为 同理可得风险因素发生的概率为 确定评价矩阵 由式 可得各风险因素后 果影响的权向量 为 由式 得风险因素后果的影响为 由式 得 风险预防措施 盾构进出洞施工风险预防措施 首先 由式 得隧道盾构进出洞的风险度为 为低风险系统 可接受 进行一定的风险管理 适当采取风险预防措施 针对盾构进出洞产生的漏 水 漏浆的权重最大 预防措施为 应按地下工程防 水施工验收规范标准施工 对洞口及进洞一定范围 的土体加固改良 可以采用注浆和冻结相结合的方法 保证冻结质量 加强工作井的降水 排水措施 其次 盾构进出洞机械设备事故 盾构进出洞轴 线偏离过大风险因素的权重值较大 预防措施为 严禁盾构机械的吊装和拼装事故发生 注意盾 构姿态 及时纠偏 确保管片与盾构姿态的适应性 注意每环衬砌测量与设计轴线的偏差 发现偏差 及时缓慢纠偏 工作井塌方风险因素的权重值较小 但盾构进 出工作井时也应采用地基加固等可靠的辅助措施 越江隧道盾构工程推进过程的风险预防措施 首先 由式 得隧道盾构进出洞的风险度为 为一般风险系统 要严格控制风险发生 针 对管头渗漏风险因素的权重值最大 预防措施为 确保管片拼装质量 保证防水良好 管片拼装 人员必须经过资质培训 持证上岗 保证同步注 浆质量 确定合理的注浆压力注浆量 管片拼装 前 避免止水带破损 拼装时 避免止水带发生移位 其次 中轴线偏离 盾构推进受阻风险因素的权 下转第 页 第 期黎 晓 等 排水沥青混合料永久变形性能试验研究 呈现两阶段趋势 而理论上提出的迅速破坏的第三 阶段只在高温高应力水平下才较为明显 永久变形曲线斜率 能较好地表征材料永 久变形性能 蠕变变化率受材料 固结效应 影响呈 现两阶段变化趋势 其曲线截距 表征了不同材料 的初始变形量 随着温度及应力水平增加而增大 在 高温高应力状态下增长近 倍 具有较好的区分度 采用石灰岩集料的 混合料由于级配 相对较好使得初始高温性能较好 变形较小 但对于 温度和应力水平影响敏感性更大 温度 应力和荷载循环次数 时间 存在着等 效关系 即高温 或高应力 短时间与低温 或低应 力 长时间在产生永久变形上 效果是等效的 研 究中采用的单轴重复加载试验能够区分出不同条件 下材料的抵抗永久变形性能 可以作为评价沥青混 合料高温稳定性的试验方法 参考文献 姚祖康 沥青路面结构设计 北京 人民交通出版社 张争奇 罗要飞 栗培龙 等 基于重复加载蠕变试验的沥青 混合料高温性能研究 武汉理工大学学报 秦 陆兆峰 梁乃兴 基于叠加原理的沥青路面永久变形预 估方法 重庆交通大学学报 自然科学版 宋玉珠 老化对 改性沥青混合料高温性能的影响 公 路工程 张锋 李林波 李玉龙 等 大孔隙排水性沥青路面配合比设 计与实施 公路工程 马翔 倪富健 李强 排水面层渗流模型及参数 东南大学 学报 自然科学版 杨春景 刘冉冉 粗细集料比对排水性沥青混合料性能的影 响 公路工程 透水沥青路面技术规程 张泉 陆阳 张华 基于多级加载蠕变试验的沥青混合料变 形特性研究 公路工程 櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 上接第 页 重较大 预防措施为 针对地层的复杂性 加强地 质勘探 了解障碍物的确切位置 及时纠偏 针对不同土质条件 设定相对合适的泥水压力 加强 泥水质量管理 加强泥水仓压力的监测 确保开 挖面稳定 防止管片在运输和拼装时发生变形 注意养护 加强盾尾冻结法施工 保证注浆及二 次注浆质量 防止隧道内涌水 结论 本文基于熵理论 将熵函数引入越江隧道盾 构工程施工中的风险评价中 进行了理论的和实例 的阐述和分析 能够更好的把握各种风险因素的性 质 该方法可以用来评价越江隧道盾构工程的风 险 进行风险决